中国电子科技集团第三十八研究所安徽省合肥市230001
摘要：通过分析有源相控阵体制下收发组件可靠性验证面临的新情况、新挑战，提出了收发组件可靠性验证试验方法，突破了传统实验室条件下可靠性试验思路，将仿真试验和评估试验机制引入到可靠性试验中，效率高、成本低，为解决高可靠性产品试验验证难题提供了基本解决途径，能够缩短收发组件乃至装备的研制周期，对提高收发组件乃至装备的可靠性水平具有重要意义。
关键词：相控阵；收发组件；可靠性
一、T/R组件可靠性验证面临的主要挑战
从多型机载有源相控阵雷达T/R组件配套情况看：一是装备数量多。某型飞机雷达中有几百个组件、上千个通道；二是成本占比大。某型飞机雷达T/R组件在一套雷达中所占的成本比重高达60%左右；三是可靠性指标高。早先的机载脉冲多普勒雷达的平均无故障工作时间（MTBF值）一般在100h左右，目前国内机载有源相控阵雷达的MTBF值一般在200h，分配到单个T/R组件一般要求在5万小时以上，意味着T/R组件自身的可靠性水平大大影响着雷达乃至飞机的可靠性；四是试验验证难。从目前研制和提前投产批产品出现的质量问题看，主要原因还是试验验证不充分，一些设计缺陷没有在试验中充分暴露。如以传统的试验方法对单个组件可靠性指标进行验证，即使采用高风险方案，试验周期也将长达数年，代价太大，也难以满足型号研制总体进度要求。
目前，对于T/R组件主要功能、性能指标，承制单位通过方案设计、仿真分析、详细设计、摸底试验一般都有实现的手段和途径，军代表也可以通过功能、性能鉴定试验来验证其符合性。但对于T/R组件的可靠性指标，由于指标要求高，承制单位完成可靠性预计、可靠性设计后，在考核时缺乏有效的试验验证手段，往往随雷达系统的可靠性鉴定试验一并开展。这导致T/R组件的可靠性成了一个
设计保证值，真实的可靠性水平高低并不被承制单位和军代表准确掌握，T/R组件在可靠性设计中存在的固有缺陷不能在组件试验时充分暴露，有可能把隐患带入雷达系统中，影响系统的质量，容易造成研制工作反复和经济损失。
目前，国内对于T/R组件可靠性试验的研究，多集中于舰载雷达T/R组件可靠性强化试验，以及以雷达天线阵面为整体的可靠性强化试验或鉴定试验，针对机载有源相控阵雷达T/R组件进行的可靠性试验研究较少。由于机载和舰载雷达T/R组件的使用环境和工作应力差别较大，因此开展T/R组件可靠性试验方法研究，显得十分紧迫。通过试验准确掌握T/R组件真实可靠性水平，可以为雷达可靠性研究提供参考，并对雷达可靠性指标确定具有重要意义。
二、T/R组件可靠性验证试验设计和实施
2.1可靠性强化试验
T/R组件可靠性强化试验的目的是通过施加高于平台环境应力的试验应力来快速激发并暴露T/R组件设计缺陷，发现和提高T/R组件的工作极限和破坏极限。同时，通过对试验过程中出现的故障进行机理分析，发现薄弱环节，采取改进措施，提高产品基本可靠性。可靠性强化试验包括定值试验和极限试验。定值试验，按产品规范规定的应力量值开展，包括温度步进试验（含低温步进应力试验和高温步进应力试验）、快速温度变化试验、振动步进试验、发现问题并改进后应开展的回归验证试验；极限试验，完成定值试验后，继续加严试验应力，寻找T/R组件在高温、低温及振动应力作用下的工作极限和破坏极限，先工作极限试验再破坏极限试验，两者均包括低温步进、高温步进和振动步进试验。
2.2可靠性仿真试验
（1）采集产品相关设计信息。采集可靠性仿真试验、仿真建模以及仿真分析所需要的T/R组件设计信息和使用信息，包括T/R组件信息，印制线路板信息，元器件信息和使用环境信息。
（2）建立产品数字样机。根据收集的T/R组件产品信息，经过适当简化建立计算机辅助设计（CAD）数字样机模型；结合CAD数字样机模型，并根据热设计信息建立计算流体动力学（CFD）数字样机模型；结合CAD数字样机模型，并根据振动设计信息，通过元器件、焊点等对象适当简化与等效，建立完善有限元分析（FEA）数字样机模型。应力分析。温度应力分析可以通过专业软件对CFD数字样机模型进行分析计算，得到T/R组件各部分的局部温度、模块温度分布以及元器件的结温信息等；振动应力分析也可采用专业软件对FEA数字样机模型进行分析计算，得到T/R组件各部分的振动载荷信息，以及由于材料强度或安装等原因可能导致的隐患。
（3）故障预计。根据热分析和振动分析给出的T/R组件内部局部热载荷和振动载荷信息，结合材料特性、结构属性，利用专业软件进行故障物理分析建模，对T/R组件进行故障预计，可以得到T/R组件的故障信息。
（4）可靠性仿真评估。根据故障预计分析输出的故障信息，采用竞争失效的原则，通过单点故障分布拟合对故障信息矩阵中各故障机理的故障时间进行处理，得到各故障机理的故障分布，在此基础上利用多点故障分布融合算法，得到T/R组件的故障时间概率密度分布函数及首发故障时间。
2.3可靠性评估试验在可靠性强化试验和可靠性仿真试验的基础上，对T/R组件进行可靠性评估，设计合理的可靠性评估试验方案，根据试验结果对T/R组件的MTBF值进行区间估计。可靠性试验流程。
首先，根据GJB899A-2009《可靠性鉴定和验收试验》选取统计试验方案；其次初步确定可靠性评估试验温度剖面，高温值的确定以可靠性强化试验为基础，考虑强化试验保温时间短等特点，留10℃余量，低温一般不具有加速效应，但考虑T/R组件的低温适应性，在试验剖面中保留，并与高温一起形成温度循环；接下来，以T/R组件可靠性试验剖面的应力为基准，通过可靠性仿真试验计算可以得到可靠性评估试验的加速系数，并确定评估试验时间及循环数；然后确定可靠性评估试验剖面中的振动量级，最大振动量级及每循环持续时间应与常规可靠性鉴定试验剖面中的最大振动量级及持续时间保持一致，其他振动量级根据应力损伤累积原理，利用可靠性强化试验得到的T/R组件振动应力工作极限和加速系数等效计算得到；最后协调温度、振动、电应力等试验条件的匹配关系，确定综合试验剖面。
（1）无替换定时截尾试验方案。T/R组件为典型的电子产品，因此假设其寿命分布为指数分布。通过可靠性仿真试验获得的加速系数记为AF。从基本可靠性角度出发，T/R组件的MTBF值θ1=50000h，根据GJB899A-2009选取统计试验方案，选取方案号30-3的抽样方案，试验总时间T=3.62θ1=181000h，鉴别比为1.89。加速应力下的试验总时间为T/AF，选取n只T/R组件进行试验，当试验时间达到T/AF台时，停止试验。发生的责任故障数记为r，若r≥3，作出拒收判决；r≤2，作出接收判决。当作出接收判决时，对MTBF值进行区间估计，规定置信水平γ（GJB899A-2009建议γ=1-2β）。按照式（1）和式（2）计算正常工作应力下MTBF验证值的置信下限θL和置信上限θU。
（2）无替换定数截尾试验方案。从任务可靠性角度出发，假设雷达天线阵面包含100只T/R组件，当失效数小于3%时，对雷达天线性能无影响，可以满足任务使用要求。T/R组件的MTBF值θ1=50000h，风险取α=β=30%，截尾故障数r=3，合格判定值为1.205，θ1=60250h，鉴别比为1.89。选取n只T/R组件进行试验，当r=3时，试验停止，试验总时间为T。根据加速系数AF，得到正常应力下的MTBF值。
结束语：
T/R组件可靠性验证试验方法研究突破了传统实验室条件下可靠性鉴定试验的思路，将仿真试验和评估试验机制引入到可靠性试验中。它作为一种新型的试验技术，效率高、成本低，为解决高可靠性产品可靠性指标验证难题提供了解决方案，从而大大缩短了T/R组件乃至装备的研制周期。
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